Диаграмма состояния сплавов железо углерод

Чтобы понять поведение сталей и чугунов, изучите диаграмму Fe-Fe₃C. Она показывает, как температура и концентрация углерода влияют на структуру сплавов. Основные фазы – феррит, аустенит, цементит – определяют механические свойства материала.

Критические точки, такие как эвтектическая (4,3% C, 1147°C) и эвтектоидная (0,8% C, 727°C), разделяют области разных превращений. Например, при охлаждении аустенита с 0,8% углерода образуется перлит – механическая смесь феррита и цементита.

Для работы с диаграммой запомните ключевые линии: A₁ (эвтектоидная), A₃ (граница феррита и аустенита), ACM (растворимость углерода в цементите). Эти данные помогают выбирать режимы термообработки – отжиг, закалку или нормализацию.

Сплавы с содержанием углерода до 2,14% называют сталями, выше – чугунами. Разница в свойствах объясняется наличием или отсутствием легкоплавкой эвтектики. Стали пластичны и ковки, чугуны – твердые, но хрупкие из-за выделений графита или цементита.

Ключевые точки и линии на диаграмме железо-углерод

Критические точки диаграммы

Точка A (1539°C) – температура плавления чистого железа. Точка C (1147°C, 4.3% C) соответствует эвтектическому превращению, где жидкий сплав превращается в аустенит и цементит. Точка E (727°C, 2.14% C) – максимальная растворимость углерода в аустените.

Основные линии диаграммы

Линия ACD – ликвидус, выше которой сплав полностью жидкий. Линия AECF – солидус, ниже которой сплав полностью твердый. Линия GS (PSK) обозначает превращение аустенита в феррит при охлаждении. Линия SE показывает снижение растворимости углерода в аустените.

Линия PSK (727°C) – перлитное превращение, при котором аустенит распадается на феррит и цементит. Линия MO (768°C) – точка Кюри для железа, где исчезают магнитные свойства.

Как определить фазы сплава по содержанию углерода

Чтобы определить фазы железо-углеродистого сплава, сначала проверьте содержание углерода. Если углерода меньше 0,02%, сплав состоит из феррита – почти чистого железа с минимальным раствором углерода.

При содержании углерода от 0,02% до 0,8% сплав включает феррит и перлит. Перлит – это смесь феррита и цементита (Fe₃C), образующаяся при медленном охлаждении. Чем ближе к 0,8%, тем больше перлита в структуре.

Если углерода ровно 0,8%, сплав полностью состоит из перлита. Это эвтектоидная точка, где кристаллизуется только одна фаза при 727°C.

При содержании углерода от 0,8% до 2,14% в структуре появляется вторичный цементит. Сплавы с 0,8–2,14% углерода содержат перлит и цементит, причем его доля растет с увеличением углерода.

Если углерода больше 2,14%, сплав становится чугуном. В белых чугунах (2,14–6,67% углерода) образуется ледебурит – смесь аустенита и цементита при высоких температурах или перлита и цементита при комнатной.

Для точного анализа используйте диаграмму Fe-C: найдите процент углерода на горизонтальной оси и проведите вертикальную линию до пересечения с интересующей температурой.

Практическое применение диаграммы при термообработке сталей

Выбор температурного режима

Определите критическую точку Ac₁ для стали, используя диаграмму железо-углерод. Например, для эвтектоидной стали (0,8% C) это 727°C. Нагрев выше Ac₁ необходим для перехода в аустенитную область перед закалкой.

Контроль скорости охлаждения

Сравните требуемую структуру (мартенсит, перлит, бейнит) с линиями охлаждения на диаграмме. Для получения мартенсита обеспечьте скорость охлаждения выше критической – у эвтектоидной стали она составляет ~150°C/с.

Используйте диаграмму для прогнозирования твердости после закалки. Сталь с 0,45% C при полной закалке даст ~55 HRC, а с 0,25% C – не более 45 HRC из-за снижения мартенситной составляющей.

При отжиге гипоэвтектоидных сталей нагревайте на 30-50°C выше линии GS (Ac₃). Для стали 40ХН (0,4% C) это 780-800°C. Это обеспечит полную перекристаллизацию без перегрева.

Влияние углерода на механические свойства сплавов

Концентрация углерода в железоуглеродистых сплавах напрямую определяет их прочность, твердость и пластичность. Увеличение содержания углерода до 0,8% повышает прочность и твердость за счет образования перлитной структуры, но снижает ударную вязкость.

• До 0,2% углерода: сплавы остаются пластичными (относительное удлинение 30-40%), но обладают низкой прочностью (предел прочности 300-400 МПа). Подходят для штамповки и сварки.
• 0,2-0,5% углерода: оптимальный баланс прочности (500-700 МПа) и пластичности (удлинение 15-25%). Применяются в строительных конструкциях.
• 0,5-0,8% углерода: максимальная твердость (HRC 20-30) при сохранении обрабатываемости резанием. Используются для деталей машин.
• Свыше 0,8% углерода: резкий рост хрупкости из-за цементитной сетки. Требуют отжига для улучшения обрабатываемости.

Для инструментальных сталей (0,8-1,2% углерода) критично сочетание закалки и низкого отпуска. Это дает твердость HRC 60-64, но требует точного контроля температуры:

1. Нагрев до 780-850°C (в зависимости от марки стали)
2. Охлаждение в масле или воде
3. Отпуск при 150-200°C для снятия напряжений

Сплавы с содержанием углерода выше 2,14% (чугуны) приобретают литейные свойства, но теряют ковкость. Белые чугуны (2,5-3,5% углерода) после отжига превращаются в ковкий чугун с пределом прочности до 700 МПа.

Различия между сталями и чугунами на диаграмме

Стали и чугуны на диаграмме состояния железо-углерод различаются по содержанию углерода и структуре. Стали содержат до 2,14% углерода, чугуны – от 2,14% до 6,67%.

Критическая точка – 2,14% углерода (точка E на диаграмме). Ниже этого значения сплавы называют сталями, выше – чугунами. Эта граница определяет разницу в механических свойствах и технологиях обработки.

Стали при охлаждении проходят полиморфные превращения, образуя феррит, аустенит и перлит. Чугуны, из-за высокого содержания углерода, формируют эвтектику – ледебурит, что делает их хрупкими.

На диаграмме стали расположены в левой части, чугуны – в правой. Область сталей включает доэвтектоидные (менее 0,8% C), эвтектоидные (0,8% C) и заэвтектоидные (0,8–2,14% C). Чугуны делятся на белые (цементит + ледебурит) и серые (графит + перлит или феррит).

Температура плавления чугунов ниже, чем у сталей, из-за эвтектического превращения при 1147°C (точка C на диаграмме). Это важно при выборе сплава для литья или горячей обработки.

Как использовать диаграмму для выбора режимов закалки

Определение критических точек

Найдите на диаграмме линии A1 (нижняя критическая точка) и A3 (верхняя критическая точка). Для доэвтектоидных сталей нагрев под закалку должен быть на 30–50°C выше A3, чтобы обеспечить полную аустенизацию. Заэвтектоидные стали нагревают до температуры на 20–30°C выше A1.

Выбор скорости охлаждения

Изучите область перлитного превращения (500–700°C) и бейнитного превращения (250–500°C). Для получения мартенсита охлаждайте сталь со скоростью выше критической, указанной на диаграмме. Для углеродистых сталей критическая скорость обычно составляет 150–200°C/с.

Сравните положение линии Mн (начало мартенситного превращения) для разных марок сталей. Чем выше содержание углерода, тем ниже температура Mн. Это влияет на выбор температуры отпуска после закалки.

Для легированных сталей учитывайте смещение критических точек вправо – это позволяет снизить скорость охлаждения и уменьшить риск коробления.